基于三维扫描的短裤形态与结构设计关系研究

叶晓露, 庞程方, 辛意云, 邹奉元,b

(浙江理工大学 a.服装学院; b.浙江服装工程技术研究中心, 杭州 310018)

研究与技术

基于三维扫描的短裤形态与结构设计关系研究

叶晓露a, 庞程方a, 辛意云a, 邹奉元a,b

(浙江理工大学 a.服装学院; b.浙江服装工程技术研究中心, 杭州 310018)

为研究短裤重要部位结构设计对着装后的形态所产生的影响，借助TC2三维扫描技术采集点云数据，运用RBF神经网络拟合短裤特征截面曲线，提取短裤各特征截面的裤宽、裤厚及每隔15°人体表面与裤装表面间距数值，最后用相关性分析进行数据处理。结果表明：样板参数中落裆量与臀围截面裤厚呈显著正相关，而后裆倾斜角增大腹围截面与臀围截面分别趋向宽扁和厚窄。落裆量对着装间隙量的影响部位为裆围截面和裤口截面。后裆倾斜角对着装间隙量的影响部位为腰围、腹围及臀围截面。落裆量增大裤管整体有向前倾趋势，后裆倾斜角增大短裤腰腹臀后侧更贴近于人体。

短裤; 着装形态; 三维扫描; RBF神经网络; 特征截面曲线; 结构设计

裤装是包围人体腰腹臀部，在臀底分开包裹双腿的下身服装[1]。其中短裤的结构与基本裤装相比有较大的差异。短裤对于上裆部位要求不能贴近臀沟，并且具有一定的宽松量，前后裤口距离大腿部位要有一定的空隙，从而提高短裤穿着时的运动功能性和舒适性[2]。将短裤二维样板与着装后的三维形态及与人体间关系建立直观联系将对短裤的设计与加工具有指导意义。

周丽华[2]以短裤为实例构造平面几何模型研究了裤装结构中几个重要参数与穿着舒适性及造型的相关关系。杨念[3]建立了主观评价体系对样板优化前后健身短裤着装舒适性和美观性进行研究。刘东[4]从臀围放松量、裤口的大小及不同短裤的款式等方面对短裤裆部形态的影响进行了讨论。韩少杰[5]建立几何模型模拟短裤落裆量的变化规律。尽管从平面样板变化理论分析及主观评价角度对服装形态变化研究具有一定效果，但无法充分且直观地获知人体与服装间多层面的复杂关系。通过三维扫描技术可以获得服装截面等非线性数据，从而能够更好地分析复杂的着装形态问题。Taya等[6]通过超高频频谱分析仪测量人体及着装横截面形状，并进一步研究服装号型和材料对服装波形的影响。Machiko等[7]运用三维测量系统获取着装截面并由此建立服装样板设计系统。Wang等[8]通过非接触式三维扫描仪获得女士夹克特征截面形状，并由面料物理力学性能对服装截面形态进行预测。Ashdown等[9]对合体裤装横截面进行分析，量化了服装和人体间的关系。

本文将运用三维人体扫描技术获取短裤特征截面点云数据，采用RBF神经网络对特征截面曲线进行拟合，通过相关性分析就短裤重要部位结构设计对着装后的形态所产生的影响进行研究，快速、有效地得到不同裆部板型参数下短裤着装形态的效果，揭示短裤造型与结构之间的规律。

1 实 验

1.1 实验对象与研究方法

实验用样裤的规格尺寸为：腰围70 cm，臀围102 cm，立裆25.5 cm，裤长36 cm，腰头宽3 cm。基本裤片样板的落裆量是1 cm[10]，短裤的造型与长裤基本相同，只是短裤的落裆量会大于长裤，一般大于2.5 cm左右，这是为加大后裤片倾斜量而作的调整[11]，但落裆量过大将会发展为极态形式，如三角裤、泳裤[12]。因此，本文根据所确定的女西短裤款式，将西短裤的落裆量定为1～5 cm，以2 cm为档差设置落裆量来研究其变化对短裤形态所产生的影响。在基本裤装结构中，对于女裤来说，后裆斜线倾斜量通常在15︰2.5～15︰4 cm内[1]，而15︰2.5 cm相当于10°，15︰4 cm相当于15°，因此本文在后裆倾斜角范围设置时取一般取值范围内的最大与最小值以代表这一范围内的变化情况。将参与实验的样裤进行编号，根据每个变量的取值范围、实验方法及档差的确定，进行组合设计得到六件样裤，具体参数设计如表1所示。

实验采用白坯布制作六件样裤，为了减少缝制过程中不同缝制人员缝制手法和操作不同而对实验造成误差，所有样裤的裁剪和缝制均由同一缝制人员进行操作且采用同样的设备和工序。实验样裤的款式及所选取的特征部位如图1所示。

表1 样裤样板参数设计

图1 特征截面部位Fig.1 Typical cross-section parts of shorts

本研究采用的测量仪器为美国TC2三维人体扫描仪，实验中使用经改造的160/68A女下身人台(GB/T 1335.2—2008《服装号型 女子》)作为穿着对象。首先运用三维扫描仪分别对净身人台及穿着六件样裤着装状态下的人台进行扫描，在3DMax中用获取截面功能分别得到图像的腰围、腹围、臀围、裆围及裤口五个人体下半身特征部位的截面部位，运用Matlab(R2010a)软件获取所需要的廓形参数。

1.2 服装特征截面曲线提取

由TC2三维扫描所得的多面网格数据大约有(30～50)亿个像素点，从而形成了每层均匀间隔为1.5 cm的点云数据[9]，点云数据以三维坐标(x，y，z)的形式储存。服装特征截面为一闭合曲线，闭合曲线中一个x值无法对应唯一的y值，因此本文将原数据坐标用Matlab中的cart2pol函数转化为极坐标系下的(θ，r)，使得极角与极径一一对应，得到离散的极坐标数据。然后运用RBF神经网络拟合极坐标数据，将离散的极坐标数据θ及r分别作为输入值及输出值对神经网络进行训练，使神经网络通过权值记忆极角与极径之间存在的对应关系。再由训练好的神经网络，将截面曲线上每隔0.01°所取的数据点为自变量加到神经网络的输入端，相应地得到该点所对应的极径，即预测除原始数据外截面上其他坐标点数据，如此，最终计算仿真精度为0.01°的数据点对，将离散的极坐标数据点拟合为连续的极坐标曲线。其中，网络的输入层到隐含层实现x→Fi(x)的非线性映射，隐含层节点的作用函数为高斯基函数；隐含层到输出层实现Fi(x)→yk的线性映射，网络结构如图2所示。经训练的RBF神经网络输出均方误差MSE符合目标10-4的要求，如图3所示。

图2 RBF神经网络基本结构Fig.2 Basic architecture of RBF neural network

图3 RBF误差性能曲线Fig.3 Error performance curve of RBF

1.3 特征截面形态参数选取

为了消除扫描时穿着不对称的误差，对截面做对称化处理后，提取外轮廓指标和着装间隙量指标作为形态指标，特征截面形态指标选取如图4所示。

裤宽和裤厚分别为特征截面曲线外接矩形的长和宽，从0°到360°每隔15°提取人体表面与裤装表面间距数值，从而反应人体着装后短裤真实变形情况。躯干部位截面由于左右对称取90～270°，裤口部位取0～345°。

图4 特征截面形态指标选取Fig.4 Selection of typical shape parameters

2 数据处理与分析

2.1 外轮廓指标

采用相关性分析法考察短裤各形态指标与样板参数之间的关系。Pearson简单相关分析用于计算连续变量或等间距测度的变量间的相关分析。利用相关系数进行变量间线性关系的分析通常需要完成以下两个步骤：1)计算样本相关系数，当0<|r|<1时，表示两变量存在一定程度的线性相关，且r越接近1，两变量间线性关系密切；r越接近于0，表示两变量的线性相关微弱[13]；2)对样本来自的两总体是否存在显著的线性关系进行推断。结合相关系数及显著性的验证对相关关系进行判定。

人体下半身原型展开与人体的配置[14]如图5所示，臀围线上的FH至BH点为人体的腹臀宽，点FH”至点BH”为裤装裆宽，短裤落裆量的增加使得前片与后片拼接后短裤的腹臀宽增加，如图6所示，FH”BH”1

图5 人体下半身原型展开与人体的配置Fig.5 Unfolding of lower-body prototype and body configuration

后裆倾斜线的设计是为了吻合人体臀大肌的凸出与后腰部形成一定坡度的生理特征[2]。如图7所示，从二维样板上看，后裆倾斜线由BW”1BH”变化到BW”2BH”倾斜度增加。由表2可知，该变化反映到三维形态，其对三维外轮廓的影响主要发生在腹部以及臀部。后裆倾斜角与腹围裤宽造型在0.01水平(双侧)上显著相关，关系系数为0.986，说明后裆倾斜角变大则腹围裤宽将随之显著变大；而后裆倾斜角与腹部裤厚造型在0.05水平(双侧)上显著相关，关系系数为-0.877，说明后裆倾斜角变大则腹部裤厚将随之显著变小。由此可见，后裆倾斜角对腹围截面裤子造型的影响为其值越大，裤子厚度减小、宽度增大，后裆倾斜角越大后裆线将靠近人体从而使得裤子后片也贴近人体，裤厚在腹围截面因此而减小，裤宽则得到了增加。

表2 外轮廓指标与样板参数相关性分析

注：**表示在0.01水平(双侧)上显著相关；*表示在0.05水平(双侧)上显著相关。

图6 落裆量变化Fig.6 Change of crotch

图7 后裆倾斜角变化Fig.7 Change of back crotch angle

臀围截面后裆倾斜角在0.05水平(双侧)上与裤宽和裤厚显著相关，关系系数分别为-0.869和0.849，说明后裆倾斜角增大时臀围截面裤子厚度增加、宽度减小，整体造型趋向厚窄，从而表明增加后裆倾斜角能够增加裤装的腹臀宽以适应臀部较厚的体型。后裆倾斜角对于其他部位的裤宽与裤厚影响不显著。

2.2 着装间隙量指标

2.2.1 腰围截面

由表3可见：1)样板参数中落裆量的变化对腰围截面各角度着装间隙量不产生影响。2)后裆倾斜角在腰围截面的90～180°位置，即在人体腰部后半部分分别产生不同程度的影响。由图8可知1—3号样裤后裆倾斜角为10°均比4—6号后裆倾斜角为15°的样裤在90～180°位置间隙量要大。3)90°、105°及135°即后腰中心与后腰偏侧部位在0.01水平(双侧)上与后档倾斜角相关性相对较高，说明腰围截面在后中附近及后偏侧部位受后裆倾斜角的影响最为显著。其次在0.05水平(双侧)上为120°、150°及人体侧面的180°。随着后裆倾斜角的增大，腰后侧的距离减小，裤子在腰部更贴近人体。这是由于后裆倾斜角增大后直裆线的斜度增大，直裆线在腰节处的撇进量增大使得裤子在后腰节距离减小，BW”与BW更为靠近。4)腰围截面的前侧255°位置的间隙量在0.05水平(双侧)上与后裆倾斜角呈正相关，由此可见后裆倾斜角增大时腰部前中附近间隙量得到了增加。

表3 各特征部位截面间隙量与样板参数相关性分析

注：**表示在0.01水平(双侧)上显著相关；*表示在0.05水平(双侧)上显著相关。

图8 腰围截面曲线Fig.8 Cross-section curve graph of waist

2.2.2 腹围截面

由表3可见：1)落裆量与腹围截面各角度间隙量不具有相关性；2)后裆倾斜角在90～105°处，即后中附近在0.05水平(双侧)上与间隙量高度相关且呈负相关，后裆倾斜角增大时腹围截面后中处间隙量将减小，裤子在后中处将更贴近人体；3)在150°处为后方偏侧部位及侧缝180°处，间隙量分别在0.05和0.01水平(双侧)上与后裆倾斜角均呈高度负相关；4)由于前侧腹凸点A的支撑作用，腹围截面前侧间隙量变化不显著(图9)，前中腹凸点附近截面曲线均比较接近；5)后裆倾斜角对于前侧间隙量不产生影响。

图9 腹围截面曲线Fig.9 Cross-section curve graph of abdomen

2.2.3 臀围截面

由表3可见：1)落裆量与臀围截面各角度间隙量低度相关，即落裆量的变化对臀围截面着装间隙量的影响不显著；2)而后裆倾斜角对臀围截面着装间隙量的影响主要发生在90～150°，并在0.05水平(双侧)上与着装间隙量具有高度负相关关系。由上述分析可知后裆倾斜角增大裤厚增大，但裤装在臀部后方更贴近人体，增大的裤厚使得裤子与人体后臀部形状更为吻合；3)由于135°位置受臀凸点B支撑的影响，后裆倾斜角所引起的人体与裤装在此角度的位置关系变化不大。如图10所示，臀凸点附近截面曲线均比较接近。从侧缝到前中，裤装间隙量均与后裆倾斜角低度相关或不存在关系。

图10 臀围截面曲线Fig.10 Cross-section curve graph of hip

2.2.4 裆围截面

由表3可见：1)落裆量对着装间隙量从裆部截面开始产生影响，裆部截面135～150°处及225°处分别为裆部后方偏侧部位和裆部前方偏侧部位，在0.05水平(双侧)上显著相关，说明落裆量对裆部截面间隙量的影响主要发生在前后方的偏侧部位；2)此外，在前中270°处，落裆量与间隙量在0.05水平(双侧)上显著相关，相关系数为0.867，说明裆部前中位置间隙量与落裆量正相关，落裆量增大裆部前中处间隙量也将增大。裆围截面曲线如图11所示。落裆量增大，后方偏侧部位间隙量减小，使得裤子更贴近于人体，前方偏侧部位及前中处间隙量增加，裆部前侧活动量增大。由此可见，落裆量的增大由二维样板反映到三维着装形态裤管整体有向前倾趋势，使得短裤裤腿后方贴合人体，前方增加了其活动量。如图12所示，落裆量越大样板拼接后腹臀宽增大，穿着在人体后前片在裆底处牵扯后片，裆底CR”向前发生移动使得裆部着装间隙量在前侧增多。后裆倾斜角则对裆部截面各角度间隙量不产生影响。

图11 裆围截面曲线Fig.11 Cross-section curve graph of crotch

图12 短裤着装形态Fig.12 Dressing form of shorts

2.2.5 裤口截面

本文统一选取右大腿截面作为分析对象，因此0～180°即为腿部内侧从后部方到腿部外侧，180～360°为腿部外侧从前部方向到腿部内侧。由表2可见：1)105°与90°位置间隙量分别在0.01和0.05水平(双侧)上与落裆量显著负相关，说明落裆量增大时大腿后侧与短裤间隙量将减小，因此能够解释增大短裤的落裆量可以达到后裤口吸腿的效果[1]；2)由于裤装穿着后外侧缝稍偏后方发生移动，165°处即为腿部外侧缝，该角度间隙量与落裆量在0.05水平(双侧)上显著相关，且落裆量增大时外侧缝处的空隙量将会减小而更多地分布于侧缝的前后；3)240～315°为大腿前侧，该部位间隙量在0.01和0.05水平(双侧)上与落裆量高度相关，落裆量增大时腿部前侧的空隙量也将随之增大，人体与裤口间活动量增大使得穿着更为舒适；4)落裆量与大腿部位其他角度相关性不显著。裤口截面曲线如图13所示。由相关性分析可知，后裆倾斜角与大腿部位间隙量不相关，由此可以说明后裆倾斜角只对腰部、腹部、臀部造型产生影响。

图13 大腿围截面曲线Fig.13 Cross-section curve graph of thigh circumference

3 结 论

将RBF神经网络曲线拟合方法运用于服装特征截面曲线拟合中，提取了短裤腰围、腹围、臀围、裆围及裤口截面轮廓曲线，并选取裤宽、裤厚及每隔15°提取人体表面与裤装表面间距数值作为衡量截面形态变化指标。

采用Pearson相关性分析法考察短裤各截面造型指标与样板参数之间的关系。对于外轮廓指标，落裆量增大时短裤在臀围截面厚度方向也随之增大；后裆倾斜角对腹围截面裤子造型的影响为其值越大裤厚减小、裤宽增大，后裆倾斜角增大臀部截面裤厚增加、裤宽减小，整体造型趋向厚窄。对于间隙量指标，落裆量增大使得裤管整体有向前倾趋势，短裤裤腿后方贴合人体，前方增加了其活动量。后裆倾斜角对着装间隙量的影响部位为腰围、腹围及臀围截面。

根据所得短裤各截面着装形态指标与样板参数之间的关系为短裤结构设计提供参考，对短裤中落裆量及后裆倾斜角的值做合理的设置。

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Study on the Relationship Between Form of Shorts and Structural Design Based on 3D Scanning

YE Xiaolua, PANG Chengfanga, XIN Yiyuna, ZOU Fengyuana,b

(a.School of Fashion Design and Engineering; b.Zhejiang Provincial Research Center of Clothing Engineering Technology, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

In order to study the impact of structural design of important parts of shorts on the dressing shape, TC23D scanning technique was used to collect point cloud data. The typical cross-section curve was fitted by RBF neural network. Then we extracted the width and thickness of each typical cross section of the shorts as well as the distance value between body surface and shorts at every 15°. Finally, correlation analysis was used for data processing. The results show that: among sample parameters, the crotch quantity has significant positive correlation with the thickness of hip cross-section. As the crotch angle increases, the cross section of abdomen circumference and the cross section of hip circumference tend to wider & flatter and thicker & narrower, respectively. For ease allowance, crotch quantity has influence on crotch and thigh sections, while crotch angle has influence on waist, abdomen and hip section. As the crotch quantity increases, trouser legs have forward tendency. As crotch angle increases, waist, abdomen and the back side of hip of trousers are closer to body.

shorts; dressing form; 3D scanning; RBF neural network; typical cross-section curve; structural design

doi.org/10.3969/j.issn.1001-7003.2015.01.007

2014-06-16;

2014-10-16

国家国际科技合作专项项目(2011DFB51570)；浙江理工大学研究生创新研究项目(YCX13016)

叶晓露(1989-)，女，硕士研究生，研究方向为人体工程与数字服装。通信作者：邹奉元，教授，zfy166@zstu.edu.cn。

TS941.17

A

1001-7003(2015)01-0035-07 引用页码: 011106